横连对椎弓根钉松动和脊柱稳定性的影响

张祥宇，苏 峰，闫 石，张志敏，张培楠

1河北北方学院研究生学院，河北张家口075000河北北方学院附属第一医院 2脊柱外科 3放射科，河北张家口075000

横连对椎弓根钉松动和脊柱稳定性的影响

张祥宇1，苏 峰2，闫 石2，张志敏3，张培楠2

1河北北方学院研究生学院，河北张家口075000
河北北方学院附属第一医院2脊柱外科3放射科，河北张家口075000

目的 探讨横连对椎弓根钉松动和脊柱稳定性的影响。方法 在30具新鲜羊腰椎脊柱标本L1椎体上制作单椎体压缩骨折模型，采用抽签法分为3组(n均=10)。跨伤椎用4根椎弓根钉固定，采用不同数目的横连(A组不放置横连、B组置入1个横连、C组置入2个横连)固定标本后，在HY-3080微机控制电子万能材料试验机和HY-1000NM微机控制扭转试验机上以频率为1．5 Hz的载荷对标本进行10 000次疲劳试验。测量并比较疲劳试验后各组标本轴向压缩刚度，螺钉拔出力，前屈、后伸、左侧弯、右侧弯、左轴向旋转及右轴向旋转6个方向的活动范围(ROM)。结果 3组在轴向压缩刚度以及前屈、后伸、左侧弯和右侧弯ROM方面的差异均无统计学意义(P均＞0．05)。疲劳试验后，A组和B组轴向拔出力均显著小于C组 ［(129．56±29．63)N比(294．67±23．25)N，P=0．000;(254．02±36．29)比(294．67± 23．25)N，P=0．006］。A组左轴向旋转的活动度最大(13．35°±1．06°)，其次为B组(12．23°±1．06°)，C组活动度最小(11．04°±0．74°)(F=13．44，P=0．000;B组与A组比较，P=0．000，与C组比较，P=0．001;C组与A组比较，P=0．000);A组右轴向旋转的活动度最大(13．56°±1．15°)，其次为B组(12．39°±1．01°)，C组活动度最小(10．81°± 0．51°)(F=21．91，P=0．000;B组与A组比较，P=0．002，与C组比较，P=0．001;C组与A组比较，P=0．000)。结论 横连可增强椎弓根螺钉的最大拔出力和脊柱的轴向稳定性。

椎体骨折;椎弓根螺钉;横连;固定;稳定性;生物力学

Acta Acad Med Sin，2015，37(3):285-289

应用脊柱后路内固定装置来治疗胸腰椎骨折在临床上越来越常见，它主要由椎弓根钉、纵向连接棒、横向连接杆等几部分组成，通过椎弓根钉与纵向连接棒之间的撑开及加压恢复脊柱的正常序列。横连在该固定系统中的作用是连接两侧装置成为一个整体，在脊柱后部结构发生破坏时，其作用更加明显。即刻实验证实横连在椎弓根钉棒系统中能够增强脊柱的轴向旋转稳定性［1］，但横连对疲劳试验后椎弓根钉松动和脊柱稳定性的影响尚未得到证实。本研究拟采用疲劳试验评价横连对椎弓根钉松动和脊柱稳定性的影响。

材料和方法

材料 成年绵羊胸腰椎标本(T13～L3节段)30具(购于张家口市察北牧场)，均为(25．0±2．5)月龄，雌雄各半，透视排除先天性畸形和骨折。

固定器械及仪器 生物力学机(HY-3080微机控制电子万能材料试验机和HY-1000NM微机控制扭转试验机，上海横仪精密仪器有限公司)，椎弓根钉(上海三友医疗器械有限公司，螺钉直径0．25 mm，螺纹长度50 mm，螺距2 mm)，自凝牙托粉材料(上海医疗器械有限公司齿科材料厂，批号:2014-05-4)，自凝牙脱水(上海新世纪齿科材料有限公司，批号: 1104)，游标卡尺(上海精密仪器有限公司，精确度为0．02 mm)，电子扫描仪(广州市享润电子科技有限公司，型号:LPS-60DS)。

压缩骨折模型建立 将30具胸腰椎标本剔除所有肌肉组织，保留前纵韧带、后纵韧带、黄韧带、棘间韧带、棘上韧带及关节囊、椎间盘。标本两端(T13和L3)分别用牙托粉包埋。

参照文献［2］方法建立骨折模型:用线锯在L1椎体前做“V”型切除，高度为椎体前缘1/2，深度为椎体前后径的2/3(切除时注意保留前纵韧带)，然后在生物力学机上以载荷300 N、速度5 mm/min压缩至椎体切口闭合。

分组及固定 将30具压缩骨折标本采用抽签法分为3组(n均=10)。T14～L2双侧椎弓根置入螺钉，采用Magerl进钉法，进钉方向为螺钉长轴与矢状面夹角5°～10°，矢状位与正常椎板平行，按临床操作使压缩椎体复位。连接钛棒固定T14～L2节段，然后各组采用不同的横连数目固定:A组无横连，B组附加1个横连(横连位置为连接棒的1/2处)，C组附加2个横连(横连位置为连接棒的1/3和2/3处)。

疲劳试验 将标本L3下端固定于生物力学机底座夹具上，调整标本中立位，以5 N·m力偶矩对标本给予3次前屈循环加载，以消除椎间盘的黏弹性对实验结果的影响，再以频率为1．5 Hz(300±105)N的载荷分别对标本进行2个方向(前屈和后伸)各10 000次循环加载。

活动度、轴向压缩刚度及拔出力检测 疲劳试验后用6 N·m载荷对每具标本进行6个方向(前屈，后伸，左、右侧弯，左、右轴向旋转)加载，同时用电子扫描仪摄取在零负荷和最大载荷时的图像，测量每个标本的运动范围，并记录各组标本运动范围的数值。

调整每具标本于中立位，分别以500 N的载荷对标本进行压缩，测量每具标本的轴向压缩位移，并计算其轴向压缩刚度。

将椎弓根钉棒系统后部固定装置(包括横连和纵向连接棒)拆除，只保留椎弓根钉，为方便测量螺钉的最大拔出力，需将置入螺钉标本分解成单个椎体(T14和L2)，分别固定于底座夹具上，螺钉的钉帽固定于加载盘上，沿螺钉的纵轴方向以10 mm/min的位移速度对螺钉进行拔出实验，当力值-位移曲线出现峰值时停止拔出，记录此时的力值(即螺钉的最大轴向拔出力值)。计算各组螺钉最大拔出力的平均值。

结果

疲劳试验后脊柱活动范围、轴向压缩刚度与最大拔出力 疲劳试验后A、B、C 3组轴向压缩刚度差异无统计学意义(F=0．524，P=0．598);螺钉的最大拔出力为A组最小 ［(129．56±29．63)N］，B组其次［(254．02±36．29)N］，C组最大 ［(294．67±23．25)N］，3组比较差异有统计学意义(F=81．145，P=0．000)。组间两两比较显示，A组(P=0．000)和B组(P= 0．006)螺钉最大轴向拔出力均显著小于C组，A组显著小于B组(P=0．000)。

疲劳试验后A、B、C 3组在前屈、后伸、左侧弯和右侧弯活动范围差异无统计学意义(P均＞0．05)。 A组左轴向旋转的活动度最大(13．35°±1．06°)，其次为B组(12．23°±1．06°)，C组活动度最小(11．04°± 0．74°) (F=13．44，P=0．000;B组与A组比较，P=0．000，与C组比较，P=0．001;C组与A组比较，P=0．000);A组右轴向旋转的活动度最大(13．56°±1．15°)，其次为B组(12．39°±1．01°)，C组活动度最小(10．81°±0．51°)(F=21．91，P= 0．000;B组与A组比较，P=0．002，与C组比较，P=0．001;C组与A组比较，P=0．000)(表1)。

讨论

脊柱后路内固定器械在临床上的应用越来越广泛，不但能够提高脊柱的稳定性，而且能够提高脊柱融合的成功率和改善脊柱畸形矫正［3］，使患者术后能早期下床活动，提高患者的生活质量。脊柱后路内固定器械由椎弓根钉、金属棒和横向连接装置组成，3部分形成了一个近似于长方体的牢固稳定系统，从而达到三维空间的固定效果。脊柱后路内固定器械主要通过椎弓根钉对脊柱前、中、后柱坚强的固定及螺钉与纵向连接棒之间的撑开、加压为失稳的脊柱提供三维矫正和坚强的三柱固定，达到恢复脊柱的正常序列的目的［4］。目前对于椎弓根钉的生物力学研究比较多见，但是内固定后方横向连接装置的作用同样不能忽视。多数学者认为，横连的作用主要是将钉棒系统连接成一个整体，并可以使应力在整个内固定装置中均匀分布，使内固定装置可以抵抗由于创伤可能带来的扭曲和剪切应力，从而保证三维固定的确实性和有效性［5-9］。

表1 3组不同固定方式下胸腰椎的轴向压缩刚度、最大拔出力和活动范围的比较(n=10，±s)Table 1 Comparison of compressive stiffness，maximum pullout strength，and range of movement of screws among three groups with different fixation methods(n=10，±s)

表1 3组不同固定方式下胸腰椎的轴向压缩刚度、最大拔出力和活动范围的比较(n=10，±s)Table 1 Comparison of compressive stiffness，maximum pullout strength，and range of movement of screws among three groups with different fixation methods(n=10，±s)

A组无横连，B组1个横连，C组2个横连;与A组比较，aP＜0．05;与B组比较，bP＜0．05Group A was fixed without crosslinks，Group B with 1 crosslink，and Group C with 2 crosslinks;aP＜0．05 compared with Group A;bP＜0．05 compared with Group B

分组Group轴向压缩刚度Axial compressive stiffness(N/mm)最大拔出力Maximum drawing force of screws(N)活动范围Range of motion(°)前屈Flexion后伸Extension左侧弯Left lateral bending右侧弯Right lateral bending左轴向旋转Left axial rotation右轴向旋转Right axial rotation A组Group A 198．75±15．10 129．56±29．63 2．79±0．29 2．58±0．28 6．74±0．41 6．74±0．41 13．35±1．06 13．56±1．45 B组Group B 188．10±31．66 254．02±36．29a 2．73±0．37 2．38±0．40 6．65±0．49 6．80±0．46 12．23±1．23a 12．40±1．01aC组Group C 194．46±20．28 294．67±23．25ab 3．01±0．26 2．55±0．26 6．39±0．67 6．40±0．58 11．04±1．74ab 10．81±0．51ab

影响椎弓根钉松动的主要因素有螺纹参数、螺钉的直径、骨密度等，但横连也是一个不可忽视的因素，因为横连将两侧钉棒连成一个整体，使应力在椎弓根钉棒系统中均匀分布。本研究通过疲劳实验发现在脊柱后路内固定器械中应用横向连接装置，能够增加螺钉的拔出力，据此笔者认为它能够起到防止椎弓根钉松动的作用。经过疲劳试验后各组螺钉的拔出力为A组最小，B次其次，C组最大，且差异均有统计学意义，说明横连对于防止椎弓根钉的松动具有重要作用。Benzel［10］认为横连通过双侧内置物相连，能够抵抗双棒系统的四边形效应和后路内固定的侧方移位，达到增加椎弓根钉拔出力的目的，本研究通过生物力学实验证实了这一观点。

Kuklo等［11］认为带有横连的椎弓根钉内固定装置具有更好的稳定性，其轴向负荷力、抗压力及旋转稳定性均明显优于哈氏、鲁氏和其他椎弓根钢板结构的器械。武启军等［1］在小牛脊柱标本(T12-L3)即刻试验中证实，横连在扭转方向上能够明显增强结构的稳定性能;在单节段椎弓根螺钉固定中，使用1根横连即能够达到最佳效果。但是，正常脊柱在生理状态下并非静止不动，Ashman等［12］统计证实，正常脊柱在4个月里要承受约100万次的屈伸活动。笔者采用疲劳试验来模拟这一生理过程，通过10 000次的循环载荷，相当于在腰围保护下的屈伸活动情况，发现经过疲劳试验后各固定组左、右轴向旋转的活动范围为A组＞B组＞C组，说明横连具有良好的抗轴向旋转和抗疲劳性能，与丁宇等［13］的研究结果基本一致。Mølster［14］的研究表明轴向旋转稳定性相对于其他方向对于骨折愈合更为重要，不难推断抗旋转性能对于脊柱融合也是至关重要的，在胸腰椎骨折的治疗中，应用横连来抗轴向旋转对骨折愈合会有一定的促进作用。

本研究结果显示，经过疲劳试验后，A、B、C 3组轴向压缩刚度差异无统计学意义，说明横连没有增加脊柱的轴向压缩刚度。Stambough等［15］通过椎弓根钉系统的疲劳测试证明，轴向旋转时不用横连存在严重的脊柱不稳，而轴向加压时用或不用横连对脊柱的稳定性没有明显影响。Stambough等［15］认为目前多数横连抗旋转性能偏低，主要因为其强度不够，且横连与棒杆的结合处最容易发生断裂，但本实验并未发现这一现象。

Dick等［16］比较了5种不同的横连装置，发现在增加钉钩结构的轴向扭转稳定性方面，2根横连优于1根横连，且横连增加扭转刚度的程度与横连杆截面面积的增加是成比例的。1根横连能使扭转稳定性增加44%，2根横连可再增加26%。尽管上述结果与本研究结果差异较大，但疲劳测试后C组的轴向稳定性优于B组，说明2根横连在抗轴向旋转上优于1根横连。

除轴向旋转外，本研究并未观察到横连对脊柱的稳定性在前屈、后伸和侧弯方面的影响，与文献报道［17］基本一致。Lim等［17］通过小牛腰椎实验证实，与无横连组比较，使用1根横连和2根横连分别使轴向旋转运动范围降低22．6%和33．3%，同时未发现横连可增加前屈、后伸和侧弯方面的脊柱稳定性。

综上，笔者通过疲劳试验后脊柱的活动度、轴向压缩刚度和螺钉拔出力来综合评价横连在椎弓根钉棒系统中的作用，发现增加横连可能会增强椎弓根钉的轴向稳定性和螺钉的最大拔出力。在临床工作中，对于胸腰椎压缩性骨折患者，在骨折尚未愈合时需要坚强内固定来促进骨折愈合，而且不建议患者早期下床活动或通过围腰固定来减少胸腰椎活动，所以本研究通过增加使用横连来提高固定效果。虽然实验中未出现断钉，但横连会使整个内固定系统刚度加强，从而降低其韧性，存在远期断钉风险，因此还需进一步生物力学实验证明。在临床实践中，针对胸腰椎压缩性骨折，考虑到骨折愈合需要3～4个月时间，建议尽可能采用横连，而且术后早期应避免下床活动，防止内固定装置松动。

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Effect of Crosslinks on the Stability of the Spine and the Pedicle Screw Fixation

ZHANG Xiang-yu1，SU Feng2，YAN Shi2，ZHANG Zhi-min3，ZHANG Pei-nan2

1Graduate School，Hebei North University，Zhangjiakou，Hebei 075000，China
2Department of Spinal Surgery，3Department of Radiology，the First Affiliated Hospital of
Hebei North University，Zhangjiakou，Hebei 075000，China

Objective To evaluate the effect of crosslinks on the stability of the spine and pedicle screws．Methods Compression fracture of the L1 vertebra was produced in 30 fresh thoracic and lumbar vertebrae samples obtained from adult sheep，which were divided into 3 groups(n=10)with lot-drawing method．Four screws were fixed onto the superior and inferior pedicles of vertebral arch close to the fractured vertebrae，with different number of crosslinks(0 in Group A，1 in Group B，and 2 in Group C)on the rods．After fixation，the samples were subject to 10 000 times of fatigue test with 1．5 Hz load on the HY-3080 computer-control electronic universal test machine and HY-1000NM computer-control torsion test machine．The axial compressivestiffness，maximum pullout strength，and range of motion(ROM)of 6 directions，i．e．，flexion，extension，left and right lateral bending，and left and right axial rotation of the 3 groups were measured and compared．Results There were no statistically significant differences in axial compressive stiffness as well as the ROM of flexion，extension，and left and right lateral bending(all P＞0．05)．The maximum pullout strength was significantly smaller in Group A and Group B than in Group C［(129．56±29．63)N vs．(294．67±23．25)N，P=0．000;(254．02±36．29)vs．(294．67±23．25)N，P=0．006］．The ROM of left axial rotation was the highest in Group A(13．35°±1．06°)，followed by Group B(12．23°±1．06°)and Group C(11．04°± 0．74°)(F=13．44，P=0．000;Group B vs．Group A，P=0．000;Group B vs．Group C，P=0．001;Group C vs．Group A，P=0．000)．The ROM of right axial rotation was also the highest in Group A(13．56°±1．15°)，lower in Group B(12．39°±1．01°)and the lowest in Group C(10．81°±0．51°)(F=21．91，P=0．000; Group B vs．Group A，P=0．002;Group B vs．Group C，P=0．001;Group C vs．Group A，P=0．000)．Conclusion Crosslinks may reinforce the pullout strength of the screws and improve the axial stability of the spine．

vertebral fractures;pedicle screw;crosslinks;fixation;stability;biomechanics

SU Feng Tel:0313-8046926，E-mail:1093500396@qq．com

R683．2

A

1000-503X(2015)03-0285-05

10．3881/j．issn．1000-503X．2015．03．007

2014-08-25)

苏 峰 电话:0313-8046926，电子邮件:1093500396@qq．com

河北省省级重大医学科研课题(zd2013050)Supported by the Major Medical Scientific Research Subject of Hebei Province(zd2013050)